双头盆齿铣床关键部件及控制系统设计

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 1.37MB 76 页 15积分
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摘 要
本文改进设计了一台专用数控铣床，用于加工机床通用附件——三爪自定心
卡盘或四爪卡盘盘丝盆（锥）齿齿形。可加工 K11 系列多种规格的盘丝零件。该
机床可同时加工两个盘丝的盆齿，通过夹具及定位夹紧元件的调整，可以加工不
同规格的盘丝齿。工件的回转分度和移动进给均采用伺服电机驱动，因而加工精
度稳定，生产率大为提高，同时降低了工人的劳动强度。
本文研究内容主要包括：机床总体方案的分析与确定；机床的结构设计，包括
铣削动力头主轴结构及精度的研究、移动工作台、专用夹具及刀具支承系统的设
计；数控系统的选型及参数设置以及机床的调试等。重点是工件移动的机械结构
及控制系统；工件回转分度运动的机械传动及控制、夹紧机构；控制系统中数控
系统控制器、驱动器、伺服电机的选择和基本参数的设置等。同时为使工件装夹、
刀具更换和机床维修等方便易行，在设计中对工件夹紧机构、工作台的上下移动
和检修窗口的预留等都有考虑。
本文以创新、实用、可靠为设计目标，以理论分析、具体设计和实践证明相结
合的方法开展工作。经运行调试后，该机床同时加工两个盆齿运行平稳，分度精
确，达到设计精度要求，完成了原定设计任务。
关键词：盘丝盆齿 铣床 控制系统
ABSTRACT
This paper is concerned with the design of a special-purpose CNC milling machine
is used to cut the bevel gear in 3-jaw self-centering chuck. It can process two bevels of
the K11 series chuck at the same time. The bevels with different specifications can be
processed by adjusted the components in the clamps and positioning mechanism. The
feed motions of the work-pieces are provided by servo, thus the precision in the
processing is stable, the productivity be raised, the labor intensity be reduced.
In this paper, the general scheme of the machine tool, the design of the mechanical
structure and the control system of the device will all be discussed. And the content of
the mechanical structure will focus on spindle precision of the power head, the
horizontal movement of the table, special clamps, arbor support system, etc. The control
system will deal with some problems including the selection of the controllers,
master-drivers, servomechanism and the basic parameters. The plan of the cutter
replacement, vertical movement of the table, maintenance windows etc. also have been
thought.
Beside the design of the mechanical structure and the control system, the analysis
in theory, the simulation and the experiment all have been made in the process of the
research on the machine tool in order to reach the purposes of practicability and
reliability.
Finally, in the test, the miller runs steadily; graduates exactly; control system works
well.
The final results of this task satisfy or approach the requirements established
before. So the task that is the design of the key assemblies and control system of the
special miller is completed.
Key Word: chuck, bevel gear, milling machine
control system
I
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ……………………………………………………………………1
§1.1 课题背景和意义…………………………………………………………1
§1.2 国内外研究现状…………………………………………………………2
§1.3 设计任务与要求…………………………………………………………2
第二章 机床总体方案的分析与确定……………………………………………4
§2.1 概述………………………………………………………………………4
§2.2 机床方案…………………………………………………………………5
§2.2.1 方案选择……………………………………………………………5
§2.2.2 机床总体设计………………………………………………………6
§2.3 控制原理介绍……………………………………………………………9
§2.4 主要参数的确定 ……………………………………………………… 13
第三章 机床结构设计……………………………………………………………14
§3.1 概述………………………………………………………………………14
§3.2 铣削动力头设计…………………………………………………………14
§3.2.1 铣削功率计算………………………………………………………14
§3.2.2 主要结构及性能……………………………………………………15
§3.3 铣削工作台设计…………………………………………………………17
§3.3.1 铣削工作台结构设计………………………………………………17
§3.3.2 滑台的主要技术性能、规格及工作循环…………………………18
§3.3.3 进给伺服系统机械部分设计与计算………………………………19
§3.3.4 工作台体的设计……………………………………………………25
§3.4 专用夹具设计……………………………………………………………25
§3.4.1 定位方案……………………………………………………………25
§3.4.2 夹紧方案及夹紧机构的设计………………………………………26
§3.4.3 对刀方案……………………………………………………………27
§3.4.4 夹具体与定位键……………………………………………………27
§3.4.5 夹具结构设计………………………………………………………27
§3.4.6 夹具图上尺寸公差和技术要求……………………………………32
§3.4.7 夹具精度分析………………………………………………………32
§3.5 刀具支承系统的设计……………………………………………………32
II
§3.6 轴承、齿轮等强度校核…………………………………………………33
第四章 数控系统的选型…………………………………………………………37
§4.1 工作台伺服系统 ……………………………………………………… 37
§4.1.1 容量计算 ………………………………………………………… 37
§4.1.2 电子齿轮比的选择…………………………………………………39
§4.1.3 停止特性……………………………………………………………40
§4.1.4 伺服系统与位置控制器的选择计算………………………………40
§4.2 DA98 交流伺服系统简介.…………………………………………… 42
§4.2.1 伺服驱动器及电机…………………………………………………42
§4.2.2 GSK992 多轴控制器.………………………………………………56
§4.3 夹具分度伺服系统的确定………………………………………………58
§4.3.1 容量计算……………………………………………………………58
§4.3.2 夹具伺服系统电子齿轮比的选择…………………………………60
§4.3.3 停止特性……………………………………………………………61
§4.3.4 伺服系统与位置控制器的选型计算………………………………61
§4.4 控制系统接线图…………………………………………………………62
第五章 机床的调试………………………………………………………………64
§5.1 概述………………………………………………………………………64
§5.2 各部件的安装与调试……………………………………………………64
§5.3 整机的安装与调试………………………………………………………65
§5.4 机床的空运转与切削试验………………………………………………66
第六章 结 论……………………………………………………………………69
参考文献…………………………………………………………………………71
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果………………………73
致谢………………………………………………………………………………74
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的背景和意义
1995 年我国工业普查表明[1]，我国机床拥有总量 383.5 万台，其中金切机床
拥有量是 298．68 万台，中国机床工具行业，主要由金属切削机床业(简称机床)、
金属成形机床业（即锻压机械设备）、铸造机械业、木工机床业、量具、量仪与刃
具业、磨料磨具业、机床附件及机床电器业、数控与数显业、机床功能部件业等
９个制造业组成。目前，中国机床工业厂多人众。2000 年全行业企业总数为 796
家，其中，金属切削机床制造厂约 358 家(20.6 万人)，年生产能力 18 万台，型号
2500 种。2001 年金切机床产量 19.2 万台，数控金切机床 17,521 台，约占 9%。装
备振兴，机床先行，机床是先进制造技术的载体和装备工业的基本生产手段，是
装备制造业的基础设备，主要为汽车、军工、农机、工程机械、电力设备、铁路
机车、船舶等行业服务。实现装备制造业现代化，取决于我国机床发展水平。没
有强大的机床工业，振兴装备制造业就成了无本之木、无源之水。机床是一个国
家的基础性、战略性产业之一，其拥有量及技术水平成为国家竞争力的重要体现。
我国已连续几年成为世界最大的机床消费国和机床进口国，是世界第四大机床生
产国。2004 年我国机床消费达 94.6 亿美元，为当年世界机床产值的 20.9%。而且
我国有约 400 万台机床拥有量。未来几年普通金属切削机床将保持 10％～15％的
稳定增长，我国机床行业面临难得的战略发展机遇。把握好这次机遇，我国机床
工业将取得突破性发展，将由机床大国变成机床强国。
与金属切削机床配套的机床附件，特别是通用件需求量也是相当大的。如三
爪自定心卡盘，能用于多种金属机床上，能自定中心夹紧或撑紧圆形、三角形、
六边形等 各种形状的外表面或内表面的工件，进行各种机械加工，夹紧力可调，
定心精度高，能满足普通精度机床的要求。三年爪卡盘作为机床的主要附件[2]，已
有一百多年的发展历史，尽管随着数控技术的不断发展，越来越多地需求高速动
力卡盘，但三爪自定心卡盘仍有广泛的应用。在对机械加工的高精度、高速化需
求不断提高时，卡盘作为机床和工件的中间连接作用越发重要起来。
[3]为满足用户
追求多样化、高规格机械加工的要求，现正在不断开发各种各样的卡盘产品。卡
盘装于车床的主轴上，在车削加工时将工件准确地、牢固地卡住，是使工件稳定
的用具。这些年不仅车床使用，机械加工时的旋转分度和 FMS 加工时代替可换工
作台等，有各种各样的使用方法。卡盘根据工件的形状和使用条件，有各式各样
的种类。例如中间为实心型的、在中心有通孔的中空型等。前者为通常的卡具工
双头盆齿铣床关键部件及控制系统设计
2
件用，后者为圆棒等长尺寸加工时使用。按照使用的动力区别，又分为利用液压、
空压和电动等的动力卡盘和人工的手动卡盘。三爪自定心卡盘最为通用，它利用
三个螺钉，通过盘体止口端面上的螺孔，将卡盘紧固在机床法兰上。将扳手插入
任一齿轮方孔中，转动扳手时，小齿轮带动盘丝（盆齿）转动，通过盘丝端面螺
纹，带动三块卡爪同时趋进或离散。
盆齿为卡盘部件的一个重要零件，目前国内盆齿零件加工均为通用设备（卧
式铣床）加工，加工精度及分度精度差，质量得不到保证，不能实现互换。通用
设备（卧式铣床）加工盆齿，一次只能加工一件，刀具悬伸长刚性差，造成刀具
耐用度差，单件加工成本大。为提高卡盘的质量，增加效率，开发高性能的专机
加工盆齿是非常必要的，同时希望机床能实现不同品种盆齿加工。
本文的主要意义：
该专用机床的设计与开发，不仅填补了国内加工盆齿设备的空白，而且在加
工效率、分度精度及齿形加工精度等都得到保证。机床加工不同规格的盆齿时，
只需调整夹具及更换刀具即可实现。具有调整方便、操作简单、人机界面友好等
优点。对于企业实现多品种加工，快速适应市场变化有很深的意义。
§1.2 国内外研究现状
国内水平：
1、国内目前在卡盘行业盆齿零件加工均为通用设备（卧式铣床）加工。
2、通用设备均为普通电气控制，可靠性差。
3、通用设备夹具均为各单位制造，其定位精度差，每次装夹不一致，装夹精
度得不到保证。
4、加工盆齿刀具均采用悬臂式，长径大。加工零件时，明显有震动，齿形及
加工表面粗糙度差。
5、采用手摇分度盘，效率低，分度精度差。
6、加工多品种时，需重新更换夹具及重新调整。调整繁琐，费时费力。
国外水平：均采用立式加工中心，精度虽然得到保证，但存在如下问题：
1、一次性投资成本高。
2、需采用四轴夹具，控制系统复杂。
3、加工效率低，一次只能加工一件。
§1.3 设计任务与要求
1、铣削动力头主轴结构及精度的研究。铣削动力头主轴要求具有结构紧凑、
第一章 绪 论
3
刚性好、精度高等特点。但主轴的结构、精度、刚性等计算方面都区别于别的类
型主轴。本文将在这方面作进一步研究，根据典型铣削主轴结构，介绍其特点及
设计计算，对主轴结构进行进一步研究，为铣削主轴的设计与应用提供参考。
2、刀具支承系统的研究。影响工件加工质量的关键因素就是刀具本身的精度
和支承系统的刚性。本文将对盆齿的铣削加工设计刀具的支承系统，并根据实际
切削情况和经验数据比较，把理论数据和实际数据相结合，为刀具支承系统设计
提供可靠的依据。
3、夹具的夹紧精度及分度的一致性研究。盆齿装夹精度由于其互换性，需要
每次装夹工件理论位置一致。同时由于卡盘在实际应用中，要求三爪或四爪运动
的一致性，需要盆齿在理论上分度一致。因此在夹具设计时，通过设置合理的装
夹机构和对夹具数控分度机构电子齿轮比的合理配置，保证了装夹工件的位置和
分度精度。达到了理论设计要求。
4、盆齿加工专机操作的可靠性和维修的方便性。考虑装夹工件的方便性，其
夹紧型式为涨芯涨套式；考虑更换刀具的方便性，数控铣削工作台可上下升降。
同时考虑机床维修的方便，在工作台底座、夹具体、立柱等多个零件预留检修窗
口，可方便检查和维护。
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4
第二章 机床总体方案的分析与确定
§2.1 概述
目前，在卡盘行业盆齿加工均为通用设备（卧式铣床）加工，利用普通电气
控制，可靠性差。所用夹具为各厂家制造，定位精度差，装夹精度得不到保证。
采用悬臂式刀具，长径比大，容易产生振动。
图2.1.1 盘丝零件
图2.1.1 所示盘丝零件，材料为 40Cr锻件，加工工艺为：粗车→正火→精车→
内孔、端面精加工→铣齿→淬火→加工平面螺纹。本文将设计专用机床用于铣齿
加工，并能加工不同规格的盘丝盆齿。
机床的结构布局形式多样，[4]有立式、卧式及斜置式等；其中基础支承件的形
式又有底座式、立柱式、龙门式等；基础支承件的结构又有一体式和分离式等。
同一种运动分配式又可有多种布局形式，评价依据主要是定性分析机床的刚度、
占地面积以及对物流系统的开放性因素。
本机床的总体结构布局形态如图 2.1.2 所示，由床身、夹具、电气系统、传动
装置、液压系统、刀辅具、动力部件、冷却系统等组成。
§2.2 机床方案
根据用户的要求，调查分析提出机床的工艺方法、运动和布局、传动和控制、
结构和性能的初步方案。
§2.2.1 方案选择
一、运动功能方案设计[5]
1、工艺分析
摘要：

摘要本文改进设计了一台专用数控铣床，用于加工机床通用附件——三爪自定心卡盘或四爪卡盘盘丝盆（锥）齿齿形。可加工K11系列多种规格的盘丝零件。该机床可同时加工两个盘丝的盆齿，通过夹具及定位夹紧元件的调整，可以加工不同规格的盘丝齿。工件的回转分度和移动进给均采用伺服电机驱动，因而加工精度稳定，生产率大为提高，同时降低了工人的劳动强度。本文研究内容主要包括：机床总体方案的分析与确定；机床的结构设计，包括铣削动力头主轴结构及精度的研究、移动工作台、专用夹具及刀具支承系统的设计；数控系统的选型及参数设置以及机床的调试等。重点是工件移动的机械结构及控制系统；工件回转分度运动的机械传动及控制、夹紧机构；控制...

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